Roottorit ovat yksi juoksupyöräkoneiston ja -laitteiden kriittisimmistä komponenteista. Nämä tarkkuuskomponentit pyörivät erittäin suurilla nopeuksilla, ja niiden on kestettävä merkittäviä rasituksia laajalla käyttöaikojen alueella.
Tämän luotettavuustason saavuttamiseksi valmistajien on varmistettava, että komponentit sopivat käyttötarkoitukseen. Tiukka koostumus, mekaaniset ominaisuudet ja käsittely varmistavat, että osat ovat hyväksyttäviä.
Nämä tarkastukset, tarkastukset ja suojatoimenpiteet maksimoivat käyttöiän ja minimoivat katastrofaalisen vian riskin.
Normaalikäytöstä aiheutuva kuluminen aiheuttaa kuitenkin lopulta tarpeeksi vahinkoa, joka vaatii korjausta tai vaihtoa. Kertyneet vauriot ovat yleensä pinnallisia, ja korjaus tarjoaa kustannus- ja aikaetua koko roottorin vaihtamiseen verrattuna ja lisää samalla korjausprosessiin liittyvää minimaalista riskiä.
Tyypillisiä korjausprosesseja ovat maalaus, pinnoitus, kaarihitsaus, plasmahitsaus ja laserhitsaus. Jokaisella prosessilla on etuja ja haittoja useista tekijöistä riippuen, mukaan lukien vaurion sijainti ja laajuus, käyttöolosuhteet, käyttöympäristö, tarvittava alusta ja korjausmateriaali sekä asiakkaan hyväksyntä.
Tämä artikkeli keskittyy erityisesti laserhitsauksen korjauksiin ja siihen, miten laserhitsausprosessi voi hyödyttää kompressorin ja turbiinin akselien korjauksia, mukaan lukien ratkaistavaksi tarkoitetut ongelmat.
Keskustelu sisältää yleisimmin korjatut akselialueet, laserhitsauksen riskit näissä paikoissa ja testityypit, joita menettelyn validoimiseksi vaaditaan.
Lasersädehitsaus
Ennen lasersädehitsauksen (LBW) tuloa yleisin akselin korjausprosessi oli upokaarihitsaus (SAW), pääasiassa sen lujuuden ja suuren pinnoitusnopeuden vuoksi.
Tähän prosessiin liittyy kuitenkin suuri lämmöntuotto, mikä voi johtaa akselin vääristymiseen ja suuriin jäännösjännityksiin. Vääristymisen vuoksi SAW-korjaukset vaativat usein kaikkien ulkonevien ominaisuuksien poistamista korjausalueelta, näiden ominaisuuksien rekonstruoimista ja laajaa päällekkäisyyttä, jotta varmistetaan riittävä koneistusvara mittojen palauttamiseen.
Lisäksi hitsauksen aiheuttamien korkeiden jäännösjännitysten vuoksi korjaukset vaativat aina ennen lopullista työstöä Post Weld Heat Treatment (PWHT) -käsittelyn, joka lievittää jäännösjännityksiä ja minimoi siten aksiaalisen liikkeen (vääristymän) koneistuksen aikana.
Hitsaus (mukaan lukien verhous), leikkaus ja lämpökäsittely voidaan suorittaa fokusoiduilla lasereilla. Vaikka LBW on ollut olemassa 1970-luvulta lähtien, tekniikan ja kohtuuhintaisuuden parannukset ovat laajentaneet sen teollisia sovelluksia käsittämään nyt myös juoksupyörän mekaanisen roottorin korjauksen.
LBW:n tärkein etu on, että se on korkean energiatiheyden prosessi, ja siksi se voidaan hitsata erittäin pienellä lämmöntuonnilla, mikä minimoi perusmetallin hajoamisen, lämmön vaikutuksen vyöhykkeen (HAZ) koon, jäännösjännitykset ja vääristymät, mutta mahdollistaa myös erittäin nopean hitsausnopeudet.
Samanaikaisesti pienempi lämmönvaihdettu vyöhyke on myös edullinen, koska pienemmällä osalla aksiaalitilavuudesta on haitallisia ominaisuuksia, jotka johtuvat fuusioprosessin synnyttämästä lämmöstä.
Tämä on erityisen tärkeää lämpökäsiteltävissä olevien metalliseosten, kuten karkaistujen ja karkaistujen terästen, tapauksessa, joita käytetään yleisesti siipipyöräkoneiston roottoreissa. Esimerkki laserhitsauskokoonpanosta on esitetty kuvassa 1.
Pienen lämmönsyötön lisäksi LBW-prosessi tuottaa korkealaatuisia sulahitsauksia, joissa on metallurginen liimaus (ei delaminaatiota, pinnoitteissa voi esiintyä adheesiota), helppo automatisointi, tasaisuus ja toistettavuus sekä korkea geometrinen tarkkuus.
Esimerkiksi tässä tutkimuksessa käytetyt laserpistekoot voivat vaihdella pienestä hitsistä, jonka halkaisija on {{0}},2 mm, korkean kerrostumisnopeuden peittoon, jonka halkaisija on 2,0 mm.
Jotta LBW-prosessista saadaan täysi hyöty, prosessin ominaisuudet on sovitettava sovellukseen ja muut alla kuvatut näkökohdat on tutkittava ennen LBW:n käyttöönottoa roottorin korjauksessa.
Metalli Täyte
Laserhitsauksessa on kaksi erilaista prosessia. Toisessa käytetään jauhetäytteistä metallia (LBW-P) ja toisessa lankapohjaista täytettyä metallia (LBW-W). LBW-P:ssä jauhe toimitetaan jauheen syöttölaitteesta putken ja yhden tai useamman suuttimen kautta inertillä kaasusuihkulla, joka kuljettaa jauheen hitsausaltaaseen.
LBW-W:ssä täytemetalli toimitetaan manuaalisilla tai mekanisoiduilla langansyöttölaitteilla, jotka syöttävät langan hitsausaltaaseen.
Näiden kahden menetelmän välillä on metallurgisia ja logistisia eroja, jotka on otettava huomioon määritettäessä sopivinta prosessia tiettyyn korjaukseen. Tämä on erityisen totta, koska ASME BPVC ei ole vielä ottanut näitä eroja huomioon.
Perusmuuttujien joukossa ovat jauhetäytemetalliin liittyvät yksityiskohdat, mukaan lukien jauhemetallin koko, tiheys ja syöttönopeus. Täyttöviivaparametreista ei kuitenkaan mainita mitään.
Tämä osoittaa, että nykyinen spesifikaatio koskee vain jauhelaserhitsaussovelluksia. Tästä seuraa myös, että prosessin karakterisointi koskee vain jauhepohjaista laserhitsausta.
Tämä on yksi syy, miksi lasersädehitsaus voi vaatia lisävaatimuksia prosessin karakterisointiin.
Laserlähteet
Laserhitsaukseen voidaan käyttää erilaisia laservalolähteitä. Tässä artikkelissa keskitytään kahteen yleisimpään hitsauslaserlähteeseen, Nd:YAG-laseriin ja kuitulaseriin.
Nd:YAG-laserit koostuvat neodyymi-seostetuista yttrium-alumiinigranaattikiteistä, jotka viritetään ksenon-taskulamolla lasersäteen tuottamiseksi, kun taas kuitulaserit koostuvat diodeista, jotka virittävät harvinaisilla maa-aineilla seostettua kuitua laserin tuottamiseksi. palkki.
Vaikka molempia laserlähteitä voidaan käyttää roottorin korjaamiseen, ne molemmat tarjoavat kompromisseja, kuten säteen laatua, säteen kokoa, säteen taajuutta, käyttöikää, kustannuksia ja tehokkuutta.
Parhaan laserin valinta riippuu sovelluksesta. Kuitenkin, kun ASME BPVC -yhteensopivuus on ongelma, kuitulaserit ovat parempi valinta.
Syynä tähän on ero lasersäteen synnyttämisessä ja sen stabiilisuudessa ajan kuluessa. Nd:YAG-lasereissa xenon-salamalamppu heikkenee ajan myötä ja himmenee iän myötä.
Lampun himmentäminen vähentää Nd:YAG-kiteen viritystä, mikä vähentää tuloksena olevan lasersäteen intensiteettiä. Tuloksena on, että tietyn laserasetuksen lähtöteho laskee taskulampun koko käyttöiän ajan, vaikka vaimenemisnopeus saattaa olla tuntematon.
Tämä on ongelmallista vaatimustenmukaisuuden kannalta, koska ASME BPVC:n osan IX taulukon QW-264 mukaan laserteho on kriittinen muuttuja, jota ei voida muuttaa tietyn hitsausprosessin aikana.
Tämän vaatimuksen noudattaminen on lähes mahdotonta Nd:YAG-lasereille, vaikka koodissa ei mainita tätä tosiasiaa. Toisin kuin Nd:YAG-lähteissä, kuitulaserlähteissä ei ole tätä ongelmaa, koska virityksen suorittaa diodi.
Siksi kuitulaserit ovat ylivoimaisia ja todennäköisesti välttämättömiä tilanteissa, joissa koodin noudattamista vaaditaan.
Jatkuvat tai pulssilaserit
Jotkut laserjärjestelmät pystyvät nyt toimimaan sekä pulssitilassa että jatkuvassa toimintatilassa. Pulssilaserien käytön etuna on, että lämmöntuottoa voidaan vähentää HAZ:n koon, jäännösjännitysten ja poikkeamien minimoimiseksi.
Yleisten etujen lisäksi pulssi voi olla hyödyllinen erikoistapauksissa, kuten hitsattaessa valmiita osia, joissa PWHT ei ole mahdollista. Tämä johtuu siitä, että pulssiteholla on pienempi lämmöntuotto kuin jatkuvalla teholla.
Pulssilaserin toiminta rajoittuu kuitenkin suurelta osin LBW-W:hen, koska LBW-P-järjestelmät käyttävät jatkuvaa tehoa toimiakseen tehokkaimmin. Tämä johtuu siitä, että jauhepohjaisissa sovelluksissa jauhetta toimitetaan jatkuvasti, mikä johtaisi huomattavaan hukkaan menevään jauheeseen tai fuusion puutteeseen pulssien välisen riittämättömän lämmön vuoksi.
Lankapohjaisissa järjestelmissä langansyöttölaitetta ohjataan tarkasti laitteiston avulla tasaisten hitsausolosuhteiden ylläpitämiseksi. On tärkeää huomata, että hitsaustila itsenäisenä muuttujana voi myös vaikuttaa hitsausprosessin saostusnopeuteen, mutta tämä riippuu suuresti järjestelmän tyypistä sekä korjauksen olosuhteista.
Kaiken kaikkiaan hitsauskuvion valinnan tulee perustua toimitettavan lisäainemetallin tyyppiin, mutta myös korjauksen tyyppiin ja haluttuihin hitsin ominaisuuksiin.
Hitsausliitoksen suunnittelu
Mahdollisten vikojen minimoimiseksi liitosrakenteen on oltava sopiva käytettävän hitsausjärjestelmän tyyppiin. Lankapohjaiset hitsausjärjestelmät sietävät yleensä teräviä kulmia ja syviä uria paremmin kuin jauhehitsausjärjestelmät.
Tämä johtuu siitä, että lankajärjestelmät eivät vaadi kaasunsiirtojärjestelmää täyteaineen kuljettamiseksi hitsausalueelle. Jauhepohjaisissa hitsausjärjestelmissä substraatin geometrian (esim. v-viisteen) aiheuttama turbulenssi kantokaasussa, jota käytetään jauheen kuljettamiseen sulaan altaaseen, johtaa huonompaan jauheen syöttönopeuteen ja huonompaan suojaukseen.
Huonot jauheen toimitusnopeudet voivat johtaa tehottomaan hitsaukseen ja ylimääräiseen lämpöön pääsemiseen alustaan, kun taas huonot suojausominaisuudet voivat johtaa huokoisuuteen ja oksidisulkeutumien muodostumiseen. Lisäksi LBW-P:n kanssa voi kertyä liiallista fuusioitumatonta jauhetta liitokseen.
Tällaisen irtonaisen jauheen hitsaus voi aiheuttaa vakavia vikoja, mukaan lukien fuusion puute, huokoisuus tai halkeilu. Tästä johtuen jauhepohjaisen täytemetallin syöttö viisteessä vaatii leveämmän viistekulman, mikä luo enemmän hitsausliitoksia, mutta lisää myös viisteen tilavuutta.
Tämän seurauksena LBW-P:tä käytettäessä näytteen poistamiseen tarvittava v-uran tilavuus on erittäin suuri verrattuna laserhitsauksen tyypillisiin mittoihin, minkä vuoksi on epäkäytännöllistä valmistaa näytettä prosessin karakterisointia varten.
Lankapohjaisessa täytemetallin toimituksessa uran vinot seinät asettavat geometrisia haasteita suojakaasun ja langan toimitukselle, mikä lisää huokoisuuden todennäköisyyttä ja lisää alttiutta sulamisvirheiden puutteelle.
Viistys on kuitenkin mahdollista LBW-hitsauksella. Lisäksi useimmissa akselin korjauksissa, joissa LBW:tä voidaan käyttää, korjaus on usein hitsauspäällystys eikä vaadi viistehitsausta.
Kuvassa 2 on esitetty yleisiä akselin korjaustyyppejä, mukaan lukien päällystys-, kasautumis- ja typpikorjaukset. Vaikka tyngän korjaukset vaativat viistehitsauksen, LBW:tä ei yleensä käytetä, koska muissa prosesseissa on korkeammat saostusnopeudet.
Täyteainetyypeistä LBW-P:tä ja LBW-W:tä voidaan käyttää yleiseen akselin korjaukseen, mutta varovaisuutta tulee noudattaa hitsattaessa lähellä vaiheita tai ominaisuuksia, jotka voivat aiheuttaa turbulenssia jauheprosessissa.
Hitsausprosessin pätevyysvaatimukset voivat kuitenkin olla mahdottomia tai epäkäytännöllisiä LBW-P:lle, ja LBW-P:ssä voi myös olla vaikeuksia, kun huokoisuutta ei voida hyväksyä.
Täytemetallien hinta ja saatavuus
Mahdollisuus valita täytemetalli riippuu käsiteltävän materiaalin saatavuudesta.
Yleensä lanka- ja jauheversiot ovat saatavilla erilaisille materiaaleille.
Lankapohjaiset materiaalit rajoittuvat kuitenkin yleisiin hitsausseoksiin, kun taas jauhemateriaaleista on taipumus suunnata enemmän seostettuja teräksiä ja erikoisseoksia.
Tämä johtuu siitä, että yksi jauhetuotannon avaintekijöistä on jauhepohjainen lisäainevalmistus, jonka kustannus-hyötysuhde on paras eksoottisemmille materiaaleille.
Tästä johtuen hiili- ja niukkaseosteisia teräksiä on vaikea löytää jauhemuodossa, koska nämä materiaalit ovat tarpeeksi halpoja, joten jauhemuodon käyttäminen ei ole kustannustehokasta useimpiin teollisiin sovelluksiin.
Koska hiili- ja niukkaseosteisia teräksiä hyödynnetään voimakkaasti juoksupyöräkoneteollisuudessa, lankapohjaiset laserhitsausjärjestelmät ovat usein parempi vaihtoehto näiden materiaalien paremman saatavuuden vuoksi. Lisäksi lankamuodossa olevat täytemetallit ovat yleensä halvempia kuin jauhemaiset.
Haitat
Sovelluksen kannalta yksi suurimmista eroista jauhepohjaisen laserhitsauksen ja lankapohjaisen laserhitsauksen välillä on vikojen tyyppi ja vikojen muodostumisen todennäköisyys hitsausprosessin aikana.
LBW-W pystyy tuottamaan täysin tiheitä, virheettömiä hitsejä, kun taas LBW-P:llä on tyypillisesti vähiten huokoisuutta. Joka tapauksessa epäoptimaaliset hitsausparametrit, liitoksen geometria tai olosuhteet voivat aiheuttaa vikoja kummassakin prosessissa.
Tyypillisiä laserhitsauksessa esiintyviä vikoja ovat seuraavat, jotka osoittavat viat LBW-P-päällyksessä:
- Huokoisuus
- Fuusion puute
- Fuusioitumattomat hiukkaset
- Halkeamia
Huokoisuudelle on tunnusomaista se, että hitsausmassassa on tyhjiä tiloja, jotka syntyvät jähmettymisen aikana loukkuun jääneiden kaasujen karkaamisesta.
LBW:ssä on useita tapoja viedä kaasuja hitsausaltaaseen, mutta pääteorioita ovat suojakaasujen tai metallihöyryjen vangitseminen, epävakaiden pienireikäisten hitsien aiheuttama kavitaatio ja kaasut, jotka jäävät loukkuun jauhehiukkasiin sumutuksen aikana ja vapautuvat sen aikana. hitsausprosessia.
Lisäksi huono suojakaasupeitto hitsausprosessin aikana voi johtaa kavitaatioon, joka johtuu yleensä väärin kohdistetuista kaasulinsseistä tai turbulenssista hitsausaltaan lähellä.
Tämä voi johtua turbulenssista, joka johtuu kovettuneen hitsisulan nopeasta hapetuksesta, tai kaasutuksesta, joka johtuu hapen palamisesta ilmassa. Lopuksi myös pohja- ja täytemateriaalien epäpuhtaus voi vaikuttaa huokoisuuteen.
Orgaanisen materiaalin (öljy, rasva, lika, oksidit jne.) hitsaus voi johtaa kaasun vapautumiseen hitsausprosessin aikana, ja se voi jäädä hitsausaltaaseen jähmettyessään.
Sulamisen puuttumiselle on tunnusomaista se, että täytemetallia ei ole sulatettu perusmetalliin jossain kohdassa. Tämä tapahtuu, kun lämmönlähde ei tuota tarpeeksi lämpöä täyteaineen ja perusmetallien sitomiseen.
Tyypillisiä tämän tilan syitä ovat huonot hitsauskulmat, suuret täyteaineen syöttönopeudet ja/tai riittämätön laserteho. Samoin kuin sulautumattomille, sulautumattomille hiukkasille on tunnusomaista, että hitsissä on sulamattoman jauheen jäämiä.
Tämäntyyppinen vika on ainutlaatuinen LBW-P:lle, koska se sisältää jauhetta, mitä LBW-W ei. Syy sulautumattomiin hiukkasiin on samankaltainen kuin sulautumisen puute, eli lämpö ei riitä täyteaineen täydelliseen sulamiseen ja sulattamiseen perusmateriaalin kanssa.
Tämä johtuu yleensä siitä, että laserilla ei ole tarpeeksi aikaa, tehoa ja/tai oikeaa sijoitusta sulattaakseen kaiken hitsausalueen täytemetallin.
Halkeilulle on ominaista hitsimetallin katkeaminen jännityksen vaikutuksesta. Halkeilu voi johtua useista tekijöistä, yleisiä esimerkkejä ovat erittäin rajoittunut liitosrakenne, nopeat jäähdytysnopeudet, lisäainemetalliherkkyys, kontaminaatio, hitsin muoto ja/tai väärät hitsausparametrit. Käännetty osoitteessa www.DeepL.com/Translator (ilmainen versio)
